#第五届立创电子设计大赛#全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器

注：*为必填项

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产品使用的品牌商介绍：电容（风华） + 电阻（KOA） + 主控芯片（兆易创新 GD32） + 运放聚洵Gainsil

1、自我/团队介绍：B站标题：第五届立创电子设计大赛：（全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器）项目 -

自我介绍。B站链接：https://www.bilibili.com/video/BV18V411U793?from=search&seid=2351486646778217126

项目介绍。B站链接：https://www.bilibili.com/video/BV1Lh411o7r2?from=search&seid=13642084700404719828

2、简要介绍项目：基于GD32全数字同步BUCK恒压恒流LED驱动器

初步要实现的要求

输入：7.5 - 16V 。

输出：6V/5A。

输入功率：32W。

输出功率：30W。

效率：7.5-16V任意电压下 > 90%。

输入防反接保护：有。

欠过压保护：有。

次级短路：有。

次级恒压：有。

次级恒流：有。

快速频闪：要求0.5秒快速开关机，灯都可以正常点亮，驱动器不会被损坏。

功率恒定：输入电压变化时，次级电压变化时，输出功率偏差< = 1.5W

芯片选择：GD32F330F4P6 + EG3112 + LM321

方案选择：LED驱动器不常见的同步整流BUCK（为什么不常见下面有说明）

算法选择：

1. 积分分离PID。

2. 抗积分饱和PID。

3. 变速积分PID。

4. 带前馈补偿的PID。

5. 梯形积分PID。

6. 带滤波器的PID。

7. 不完全微分PID。

8. 微分先行PID。

需要实现双闭环控制（电流内环，电压外环，或者钳压外环，功率中环，电流内环）具体使用哪种环路和算法，本人都会一一测试，选择比较稳定的。

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描述项目详情：一直以来全数字电源也好，全数字LED驱动器也好，一直有层神秘的面纱，参考资料也极少。大部分得需要DSP来实现，一颗DSP少说也得15-20块或者更多。如果做成产品的话，那DSP可以占成本的一大一部分，导致很多企业望而却步。之前本人研究比较多的也是数控（模拟芯片+单片机）这样要简单很多，核心还是模拟芯片作为主控，单片机输出PWM或者DA去控制模拟芯片FB脚，这样就简单很多，但是元件多，批量生产后离散性比较大。数控也无法直接监控到设备的一些故障和稳定状态，当然数控要做一些遥调遥测，485联机，CAN通讯，网口等等也是比较困难的，全数字的也解决了这些问题。随着单片机的飞速发展，让全数字低成本变成可能性，兆易创新单片机也是国产口碑比较好的，正好来测试一下性能，可靠性等等。芯片我们就选择精简版M4内核的（GD32F330F4P6TR TSSOP-20）脚的，非常小巧的一颗单片机，价位应该在3块钱以内。

GD32F330F4主要一些参数。

1.M4内核，带DSP指令。
2.主频84MHZ。

3.1路ADC。

4.7通道DMA。

5.工作电压2.6V-3.6V。

6.等等其他就不再多介绍了，可以在兆易创新官网下载手册。

简要方案框图：

工作大致流程：输入经电容滤波后，分压进入单片机检测是否欠过压，如果正常，单片机经驱动芯片后导通下管MOS，延时后导通上管MOS，完成开机上管MOS的自举。进而输出分压后进入单片机运行电压环PID，并算出PID的结果，作为输出电流的参考值后采集并使用LM321放大电流信号后运行电流环PID，算出结果后赋值到PWM，进而完成一次恒压恒流。正常工作后，单片机会检测是否欠过压，检测LED灯珠温度，线性的控制风扇的风量大小以及故障等等。

描述项目所面临的挑战及所解决的问题：

一：效率：传统方案异步浮地BUCK，30W的功率，6A输出电流，效率想做到90%，非常困难。下面介绍两种方案的优缺点，选择能满足要求的方案。

常规方案：异步浮点BUCK。

优点：

1：MOS管容易驱动。

2：来回开关，MOS管时序不会出错，不会烧坏。

3：峰值电流采样，速度比较快。

4：输出浮地，采集电压困难，现在很多方案没有稳压，如果输入电压比较高的话，次级电容电压也会被冲到很高，在开关瞬间比较伤LED灯珠。

缺点：

1：效率低。

2：MOS管对地采样电阻损耗比较大。

3：输出5A电流，次级二极管损耗很大。

特殊方案：同步BUCK。

优点：

1：效率高，MOS管内阻可以选择很低的。

2：平均电流采样，恒流精度比较高。

3：输入输出可以共地，采集电压电流比较容易。

缺点：

1：控制复杂，成本稍高。

2：来回开关，MOS管时序容易会出错，容易烧坏灯珠。

3：采集峰值电流比较困难，响应速度会降低一些。

二：同步BUCK有个致命的问题，当输入来回开关后，MOS管驱动时序会被打乱，轻则烧灯珠，重则直接烧驱动和MOS管。本人通过研究彻底解决了同步BUCK不能热开关的缺陷。

解决方法如上图,原因在于输入掉电后，输入输出电容储能的电量并无法马上放掉，导致在掉电后电压放电呈现斜线。再次重新上电后上管没有再次自举驱动，导致时序错乱，然后烧坏。有些高手说是软启动问题，之前本人用TL494+IR2104做过同步BUCK，也是这种现象，论坛发了很多次帖子，大部分人认为是软启动不够因为的，后来尝试加了软启动也是一样，还有些人说是上电瞬间占空比不受控，导致输出过流烧坏，其实感觉这个说法也不是很对，我把最大占空比限制到20%，依然是这个现象，因为BUCK就算是开环，最大输出电压也是等于输入电压。经过不断的测试，得出结论。上电瞬间，单片机必须处于重头开始运行程序，完成过欠压，自举才可以。因为BUCK掉电后还会有储存电压，所以得想办法把这个电压快速放掉。经过试验，桥中心点经过二极管然后对地加电容，测试每次上电，发现放电电压斜率更陡峭了，工作原理，电容在这里会对桥中心产生的方波产生阻碍作用，在掉电后，方波依然还有，电容加快阻碍，从而快速泄放掉储存电压。加上输入电压检测，当低于6V，单片机从新复位，那么每次开机都可以保证从新运行。就解决了这个问题。但此方法有个缺陷，正常工作会有0.15W左右的损耗。

三：PWM分辨率的问题。
影响全数字电源或者LED驱动器等发展的原因，ADC分辨率，ADC采样速度，PWM分辨率，浮点运算，响应速度，抗干扰性等。其实随着单片机的飞速发展，像ADC分辨率，ADC采样速度，浮点等都不是很大问题。但PWM分辨率是个大的问题，假设我们主频是120MHZ，PWM频闪是200KHZ，那么PWM精度 = 1 /（120MHZ / 200KHZ） = 1 / 600，我们要在0-600整数直接去控制PWM，可见分辨率实在过低，那么精度肯定也受到很大的影响。像一些高级单片机STM32F334 TI的DSP，为了解决这个问题，PWM都有单独的时钟，像STM32F334 PWM时钟高达4.6GHZ，那么精度 = 1 / (4.6GHZ / 200KHZ) = 1 / 23000， PWM可以在0-23000直接调节，可见精度非常的高，模拟芯片没有分辨率一说，可以任意步进。但是那么单片机价格实在太贵，也很难应用到实际的产品上面去，所以为了解决这个问题，尝试把84MHZ的主频超频一些到120MHZ，测试发现很稳定。把PWM频率降低到75KHZ，精度在1 / 1600左右，由于主要是恒流，也够用了。

四：EMI的问题。

目前设备越来越先进，导致也容易被干扰。为了解决这个问题，模拟芯片已经加入了抖频技术，也叫展频技术。比如说75KHZ的主频。以75KHZ为中心上下变化3KHZ，每一次抖频时间是4MS。本驱动器也增加了抖频技术，详细看下测试视频。

（五）难点：PID算法选择。

1，（判断增加或减少法）见到别人有用过这种算法。

比如输入10V，输出5V，if(adc > 5V)PWM--;if(adc < 5V)PWM++;

这种方法我也测试过，很好调，但是效果一般，尤其是负载发生变化，得等一会电压才会恢复正常，所以这种方法并不适合作为动态调节。

2，单电压或者单电流闭环。

这种方法是最早测试用的，一般先调P,然后调I和D，D（微分）在电源类使用的话缺点比较多，所以本文使用的是PI调节。（调试方法先让I和D设为0;P设置稍微小一些，看驱动波形，如果发生抖动（震荡）的话适当减少P，然后波形比较稳定后加入I，要由小增大即可，然后微调即可，其实调试几次就会了。

3，双闭环（电压外，电流内）三闭环（电压外，功率中，电流内）

其实三闭环是不常见了，常见做法是，电压用比较器钳制，功率做为外环，电流作为内环，因F330无比较器所以没法测试，如果三环>全部用软件写的话，牵制过多，我还没调出来，后面有时间再调下所以本文选择双闭环。

4，常见的8种PID算法，本人都一一测试了一下，最后选择常规的PID增量算法，其他算法运行一次的时间过长，影响响应速度。

六：难点：PID算法等问题。